電纜隧道中巡檢機(jī)器人實(shí)現(xiàn)及應(yīng)用

文/陳杰 楊朝 賀子琦 張譽(yù) 侯旻嵩

隨著城市電纜隧道的普及和發(fā)展，電纜隧道的安全隱患也將越來(lái)越大，電纜故障將進(jìn)入一個(gè)高發(fā)期階段，因此，迫切要求解決電纜隧道的安檢問(wèn)題。通過(guò)人工智能所制造出來(lái)的仿生機(jī)器人，可以替代人類去完成一些復(fù)雜工況下的工作任務(wù)，在降低人們生命安全隱患的同時(shí)還能有效提升工作效率。在電力工程中，電纜隧道巡檢機(jī)器人則是專門針對(duì)地下電纜隧道設(shè)計(jì)研發(fā)的智能一體化巡檢方案。本文針對(duì)國(guó)內(nèi)電纜隧道發(fā)展的現(xiàn)狀，結(jié)合巡檢機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)和工作性能優(yōu)勢(shì)，重點(diǎn)分析了巡檢機(jī)器人在導(dǎo)航定位、通訊和故障排查方面的優(yōu)勢(shì)，并且通過(guò)實(shí)際應(yīng)用，驗(yàn)證了巡檢機(jī)器人在狹小空間內(nèi)的通過(guò)性能、可控制云臺(tái)的靈活性能以及無(wú)線通信系統(tǒng)的穩(wěn)定性能等。在長(zhǎng)時(shí)間的使用過(guò)程中，巡檢機(jī)器人可以輕松適應(yīng)電纜隧道的各種復(fù)雜環(huán)境，滿足日常的巡檢任務(wù)，為后續(xù)的進(jìn)一步研究奠定了理論和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

1 智能巡檢機(jī)器人原理及關(guān)鍵技術(shù)

電纜隧道巡檢機(jī)器人主要針對(duì)隧道的特殊環(huán)境，對(duì)滲水、電纜老化、腐蝕以及破損等現(xiàn)象進(jìn)行精準(zhǔn)定位，并發(fā)送故障報(bào)警。通過(guò)巡檢機(jī)器人不僅可以有效降低人工操作帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)，還能提升工作效率，確保電能輸出的穩(wěn)定性和可靠性。下文對(duì)巡檢機(jī)器人實(shí)現(xiàn)原理及關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行闡述：

1.1 控制結(jié)構(gòu)

本文研究的巡檢機(jī)器人具備靈活的控制系統(tǒng)，主要由遠(yuǎn)程主機(jī)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以及主控制板三個(gè)部分組成，采用鎂鋁合金加工而成，整體重量小于10kg，整體封閉的殼體設(shè)計(jì)保證了巡檢機(jī)器人具有一定的防水和涉水能力。巡檢機(jī)器人遠(yuǎn)程主機(jī)為用戶提供良好的交互界面，顯示巡檢機(jī)器人采集到的各種數(shù)據(jù)信息，同時(shí)用戶端也可以通過(guò)無(wú)線通信系統(tǒng)完成對(duì)巡檢機(jī)器人的手動(dòng)控制。主控制板包含巡檢機(jī)器人的各種運(yùn)行器件，例如：處理器完成對(duì)巡檢導(dǎo)航和電機(jī)控制，完成數(shù)據(jù)傳輸?shù)热蝿?wù)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)則是集成有害氣體、煙霧、光照度、溫濕度等傳感器以及定位裝置，利用無(wú)線通信系統(tǒng)對(duì)傳感器獲取的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行處理，并將處理結(jié)果發(fā)送至主控制板，組成架構(gòu)如圖1所示。

圖1：巡檢機(jī)器人架構(gòu)示意圖

1.2 驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)

巡檢機(jī)器人整體采用輕量化設(shè)計(jì)，采用性能好、密度小的材料制作降低工作重心，再配合復(fù)合越障機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的方式，操作簡(jiǎn)單、越障性能高，配備擺臂支撐可以輕松翻越隧道中的障礙物，并且能夠沿著電纜線行走，可控云臺(tái)搭載高清攝像機(jī)及紅外熱成像儀，可以輕松實(shí)現(xiàn)電纜隧道內(nèi)的實(shí)時(shí)監(jiān)控與紅外熱成像。

1.3 定位系統(tǒng)

定位系統(tǒng)是巡檢機(jī)器人的基本功能，通過(guò)導(dǎo)航定位系統(tǒng)確定巡檢機(jī)器人在隧道中的位置，對(duì)準(zhǔn)確表示電纜線路的故障點(diǎn)具有重要意義?，F(xiàn)階段，常用的定位系統(tǒng)有測(cè)程定位、主被動(dòng)標(biāo)識(shí)定位、GPS定位等。同時(shí)，導(dǎo)航定位也可以規(guī)劃出巡檢機(jī)器人的行走路線。電纜隧道結(jié)構(gòu)復(fù)雜，巡檢機(jī)器人的行走路線需要跨越多種障礙物，所以必須借助導(dǎo)航定位系統(tǒng)規(guī)劃最佳的行走路線，巡檢機(jī)器人配備視覺(jué)傳感器，可以獲取電纜隧道內(nèi)的環(huán)境信息進(jìn)行導(dǎo)航定位工作，具有較高的空間和灰度分辨力、探索范圍更廣、定位精度更高，能夠幫助巡檢機(jī)器人制定科學(xué)的巡檢路線。

1.4 故障排查系統(tǒng)

電纜隧道巡檢機(jī)器人具備更加智能化的故障排查系統(tǒng)，包括視覺(jué)檢測(cè)和紅外技術(shù)探測(cè)。根據(jù)電纜隧道特殊的環(huán)境要求，通過(guò)分析整個(gè)工作過(guò)程，設(shè)計(jì)智能化的控制系統(tǒng)，確定巡檢機(jī)器人與后臺(tái)控制器之間的信息互聯(lián)，利用Lab VIEW編程軟件實(shí)現(xiàn)巡檢機(jī)器人和用戶端實(shí)時(shí)圖像顯示、無(wú)線傳輸和接收等功能。

2 電纜隧道巡檢機(jī)器人的運(yùn)用

電纜隧道環(huán)境復(fù)雜特殊、通風(fēng)效果較差，由于線路長(zhǎng)時(shí)間負(fù)荷運(yùn)行，容易產(chǎn)生自然老化、腐蝕或者遭受生物啃噬引發(fā)電纜隧道火災(zāi)，再加上維修人員難以進(jìn)入隧道內(nèi)進(jìn)行巡檢，一旦發(fā)生火災(zāi)，火勢(shì)蔓延速度和范圍將更加難以控制，如果不能在第一時(shí)間進(jìn)入火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)控制火勢(shì)，將會(huì)引發(fā)更嚴(yán)重的停電事故，后續(xù)的修復(fù)工作也更加困難，造成的經(jīng)濟(jì)損失和社會(huì)損失也將是無(wú)法估量。此時(shí)，電纜隧道巡檢機(jī)器人就發(fā)揮了其自身的優(yōu)勢(shì)，可以及時(shí)、準(zhǔn)確的提供電纜火災(zāi)發(fā)生的位置，并且自身配備小型干粉滅火裝置，當(dāng)環(huán)境溫度上升至設(shè)定值時(shí)，電纜隧道巡檢機(jī)器人通過(guò)通訊系統(tǒng)，接收遠(yuǎn)程管理平臺(tái)以及本地中心管理平臺(tái)的控制指令，然后獲取指令控制發(fā)射超細(xì)滅火干粉進(jìn)行滅火。同時(shí)，還可以對(duì)老化、腐蝕以及遭受啃噬的部位進(jìn)行定位和修復(fù)，提高電纜線路使用壽命的同時(shí)還能有效降低火災(zāi)對(duì)電纜線路造成的破壞。

此外，為了確保電纜巡檢機(jī)器人在復(fù)雜環(huán)境中安全、穩(wěn)定的運(yùn)行，巡檢機(jī)器人的控制程序所發(fā)的各種指令都是在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下進(jìn)行的，通過(guò)后臺(tái)控制器和巡檢機(jī)器人系統(tǒng)中的無(wú)線網(wǎng)卡，可以建立兩臺(tái)計(jì)算機(jī)之間的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)連接。針對(duì)控制系統(tǒng)要求，搭建基于Lab VIEW軟件，設(shè)計(jì)客戶端和服務(wù)器之間的無(wú)線通訊軟件，實(shí)現(xiàn)圖像信息的實(shí)時(shí)采集、無(wú)線傳輸?shù)裙δ堋ｋ娎|隧道巡檢機(jī)器人配備高帶寬、抗干擾能力強(qiáng)、傳輸距離遠(yuǎn)的通訊模塊，能夠?qū)㈦娎|線路實(shí)時(shí)視頻圖像信息傳輸至用戶端。隧道巡檢機(jī)器人設(shè)計(jì)生產(chǎn)完后，為了進(jìn)一步驗(yàn)證巡檢機(jī)器人結(jié)構(gòu)和功能的合理性以及可靠性，需要對(duì)其進(jìn)行爬坡、翻越以及無(wú)線通訊等多方面的試驗(yàn)分析，本文研究的電纜隧道巡檢機(jī)器人通過(guò)動(dòng)力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)試驗(yàn)，驗(yàn)證了其可以適用于電纜索道或者管道等復(fù)雜的封閉環(huán)境，可以有效地規(guī)劃爬坡、翻越障礙的路線，明確驅(qū)動(dòng)電機(jī)的工作指令，為機(jī)器人在電纜隧道環(huán)境中順利巡檢做好準(zhǔn)備。

3 總結(jié)

綜上所述，伴隨著人工智能技術(shù)的不斷發(fā)展和日趨成熟，運(yùn)用仿生學(xué)原理設(shè)計(jì)的巡檢機(jī)器人，已經(jīng)可以有效替代人工完成一些特殊環(huán)境下的安全排查工作。本文研究的電纜隧道巡檢機(jī)器人具有高機(jī)動(dòng)性，能夠輕松穿越復(fù)雜的障礙，進(jìn)行電纜線路的維護(hù)工作，同時(shí)具有優(yōu)越的無(wú)線通訊技術(shù)，便于遠(yuǎn)程操控。在城市化高速發(fā)展的今天，土地資源稀缺，電纜隧道的密度越來(lái)越大，電纜維護(hù)的難度和工作量也與日俱增，因此，必須隧道中的電纜定期檢查維護(hù)，了解電纜運(yùn)行情況及其周圍環(huán)境，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并消除隱患，確保人們生產(chǎn)、生活用電的安全和穩(wěn)定性，對(duì)智能巡檢機(jī)器人具有非常廣闊的應(yīng)用前景。